JP2017502638A - 出力電流ダブラを有する誘導電力伝送ピックアップ回路 - Google Patents

Abstract

誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップ回路は、共振回路（Ｌ１Ｃ１）に結合され、かつ共振回路から受信されるＡＣ電流を整流するように適合される、全波整流器（Ｄ１〜Ｄ４）を有する。一対の誘導子（Ｌ２Ｌ３）が提供され、整流器をピックアップ回路の出力（Ｖ負荷）に結合させ、かつ交互にエネルギーを貯蔵し、出力に放出するように配設される。【選択図】図２

Description

本発明は、無線電力伝送ピックアップ回路に関する。より具体的には、本発明は、誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップ回路の出力電流を選択的に増加させるための回路に関する。

誘導電力伝送（ＩＰＴ）システムにおいて、電力は、交流電流（ＡＣ）電源（ＩＰＴシステムの一次側をともに形成する電源及びトラック）によって供給される一次導体（その形態及び／または用途に依存して、導電性パス、パッド、またはトラックとして種々に知られている）と、トラックと誘導結合され、負荷に電気的に結合されてそれに電力を供給する１つ以上のピックアップ回路（システムの二次側を形成する）との間の相互誘導によって、無線で伝送される。

ＩＰＴシステムは、変圧器と一部の表面上の類似性を有する一方で、実際は、いくつかの重要な相違が存在する。特に、変圧器は、ＡＣ電圧をステップアップもしくはダウンするため、及び／または２つの回路を直流的に絶縁するために使用されるが、ＩＰＴシステムの目的は、無線で、または非接触的に、電力を伝送するために使用される。単位元（またはほぼ）の結合係数（即ち、ｋ＝１）を有する密結合された従来の鉄心変圧器とは異なり、ＩＰＴシステムは、一般的に疎結合されており、したがって、より低い結合係数（例えば、一般的にｋ＜０．５）を有し、これはまた、一次導体との固定整合を維持するように、ピックアップ回路が物理的に制約されていない場合、使用中、動的に変動し得る。非接触または無線電力伝送の効率を最適化するために、ＩＰＴシステムの一次電源及び二次ピックアップ回路は、両方とも、同じ共振周波数に同調される。共振周波数は、一般的に、例えば、１０〜４０ｋＨｚのどこかである。

したがって、ＩＰＴシステムのピックアップ回路は、一般的に、少なくともピックアップコイル及び同調コンデンサを備える、同調または共振回路を備える。２つの典型的なピックアップトポロジは、同調コンデンサがピックアップコイルと直列に提供される、直列同調されたピックアップ、またはより一般的には、同調コンデンサがピックアップコイルと並列に提供される並列同調されたピックアップである。

一次導体が適切な周波数のＡＣ電流で励起されるとき、電圧は、それと誘導結合されるピックアップコイルにおいて誘導される。最適な効率のために、共振回路は、ＡＣ電流の周波数で共振するようにこのように同調される。

多くの場合、ピックアップは、ＤＣ電流を負荷に供給することが必要とされ、ピックアップ回路には、しばしば、共振回路においてＡＣ電流を整流するための整流器が提供される。

先行技術の単純な並列同調されたＩＰＴピックアップ回路の実施例が、図１に示されている。ピックアップ回路は、一次トラック導体／誘導子Ｌ_Ｔと誘導結合され、これは、ピックアップコイルＬ_１において電圧を誘導する。同調コンデンサＣ_１は、ピックアップコイルと並列に提供され、それと共振回路を形成する。ダイオードＤ_１〜Ｄ_４を備える、ブリッジ整流器は、共振回路においてＡＣ電流を整流し、整流された出力電流を平滑化するために作用する、ＤＣ誘導子またはチョークＬ_ＤＣを介して、出力にＤＣ電圧を供給する。例解される実施例において、ピックアップ回路は、Ｖ_負荷によって表される負荷に結合される。負荷は、例えば、バッテリを備えてもよい。

図１に示されるもの等の先行技術の並列同調されたピックアップ回路に伴う１つの潜在的な不利点は、それらが、所与のＡＣトラック電流及び誘導結合に対して一定の出力電流を有するということである。先行技術の並列同調されたＩＰＴピックアップトポロジにおいて、ピックアップの出力電流は、所与の結合におけるピックアップコイルの短絡回路電流によって根本的に制限される。これは、所与の電圧での出力電力を制限し、低い電圧、高い電流負荷に給電することを困難かつ非効率的なものにする。また、一定の出力電力で広範な出力電圧に対応することができる効率的なピックアップを設計することも困難である。より多くの電流が必要とされる場合、トラック電流を増加させるか、または例えば、ピックアップにおける共振回路の同調の数を低減することによって、ピックアップコイルのインダクタンスを低減しなければならない。

したがって、先行技術の１つ以上の不利点を克服する、もしくは少なくとも改善するＩＰＴピックアップ回路を提供すること、または代替的には、少なくとも公衆に有用な選択肢を提供することが本発明の目的である。

本発明の別の目的は、ＩＰＴピックアップ回路、または増加した出力電流を提供することができるＩＰＴピックアップ回路を動作させる方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、以下の説明から明らかとなるであろう。

したがって、一態様において、本発明は、誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップ回路に存すると広く言われ得、
誘導ピックアップコイル及び並列同調コンデンサを備える、共振回路と、
共振回路に結合され、かつそこから受信されるＡＣ電流を整流するように適合される、全波整流器と、
一対の誘導子であって、各誘導子が、整流器を前記ピックアップ回路の出力に結合させ、かつ交互にエネルギーを貯蔵し、出力に放出するように配設される、一対の誘導子と、を備える。

好ましくは、一対の誘導子が配設され、それにより、一対の誘導子のうちの第１の誘導子が、ＡＣ電流の正の期間中にエネルギーを貯蔵し、負の期間中に出力にエネルギーを放出し、一対の誘導子のうちの第２の誘導子が、負の期間中にエネルギーを貯蔵し、正の期間中に出力にエネルギーを放出する。

好ましくは、誘導子へのエネルギー入力は、パルス化されるが、誘導子のエネルギー出力は、通常、実質的に連続的である。

好ましくは、一対の誘導子は、全波整流器のそれぞれの半分によって各々送給される。

好ましくは、一対の誘導子の各々は、整流器のダイオードと直列に提供される。

好ましくは、全波整流器は、ダイオードブリッジ整流器を備え、誘導子は、ダイオードブリッジ整流器のそれぞれの共通カソードダイオードと、ピックアップ回路の出力との間で、直列に各々結合される。

代替的に、全波整流器は、一対のダイオードを備えてもよく、一対のダイオードのそれぞれのアノードは、出力と結合され、一対のダイオードの各々のそれぞれのカソードは、共振回路及び一対の誘導子のそれぞれの誘導子の両方と結合される。

好ましくは、ピックアップ回路の出力電流は、一対の誘導子を通った電流の合計に等しい。

好ましくは、ピックアップ回路は、回路を再構成するように選択的に動作可能なモードスイッチを更に備え、誘導子は、整流器とピックアップ回路の出力との間で並列に結合される。「モードスイッチ」という用語は、単一のスイッチに限定されず、複数のスイッチを備えてもよい。

好ましくは、モードスイッチは、出力電流を制御するためのコントローラによって、選択的に動作される。

好ましくは、第１のモードにおけるピックアップ回路の出力電流は、第２のモードに対して実質的に倍加される。

好ましくは、一対の誘導子の各々は、一対の端子を備え、一対の誘導子のそれぞれの端子は、第２のモードにおいてともに直接結合される。

好ましくは、第１のモードにおいて、一対の誘導子が配設され、それにより、一対の誘導子のうちの第１の誘導子が、ＡＣ電流の正の期間中にエネルギーを貯蔵し、負の期間中に出力にエネルギーを放出し、一対の誘導子のうちの第２の誘導子が、負の期間中にエネルギーを貯蔵し、正の期間中に出力にエネルギーを放出する。

好ましくは、第２のモードにおいて、一対の誘導子は両方とも、ＡＣ電流の正及び負の期間の両方中に、整流されたＡＣ電流を平滑化するためのチョークとして作用する。

好ましくは、モードスイッチは、双方向スイッチを備える。

好ましくは、共振回路は、ピックアップコイルと直列に追加のコンデンサを更に備え、共振回路は、部分的に直列同調される。

好ましくは、ピックアップ回路は、整流器及び／または共振回路から出力を減結合するように動作可能な電力制御スイッチを更に備える。より具体的には、電力制御スイッチは、好ましくは、出力と並列に提供される。

好ましくは、ピックアップ回路は、共振回路から整流器を選択的に減結合するように、共振回路と並列の減結合スイッチを更に備える。

好ましくは、減結合スイッチは、共振回路から整流器を減結合するように、コントローラによって選択的に動作されるＡＣスイッチを備える。

好ましくは、ピックアップ回路は、共通出力と各々結合される複数のサブ回路を備え、各サブ回路は、本発明の第１の態様に従う、共振回路、全波整流器、及び一対の誘導子を備える。

好ましくは、各サブ回路は、モードスイッチ及び減結合スイッチを備え、モードスイッチ及び減結合スイッチは、少なくとも１つの他のサブ回路のものに対して独立して選択的に動作される。

好ましくは、各サブ回路のモードスイッチ及び減結合スイッチは、出力電流を制御するように独立して選択的に動作される。

好ましくは、出力電流は、既定の最小出力電流を維持するように制御される。

好ましくは、ＩＰＴ回路は、モードスイッチ及び／または減結合スイッチの動作を制御するように構成されるコントローラを更に備える。コントローラは、例えば、出力電流センサに結合され、かつ既定の最小出力電流を維持するようにスイッチを動作させるようにプログラムされる、マイクロコントローラを備えてもよい。

第２の態様において、本発明は、少なくとも１つのサブ回路を備える誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップに存すると広く言われ得、サブ回路は、
誘導ピックアップコイル及び同調コンデンサを備える、共振回路と、
共振回路に結合され、かつそこから受信されるＡＣ電流を整流するように適合される、少なくとも２つのダイオードを備える、整流器と、
整流器と結合される第１の端子、及び前記ピックアップの出力と結合される第２の端子を各々備える、一対の誘導子と、
サブ回路の動作モードを選択するように動作可能なモードスイッチであって、第１のモードにおいて、一対の誘導子の各々の第１の端子が、少なくとも２つのダイオードのそれぞれのダイオードのカソードと結合され、第２のモードにおいて、両方のカソードと結合される、モードスイッチと、を備える。

好ましくは、サブ回路の出力電流は、第２のモードに対して、第１のモードにおいて実質的に倍加される。

好ましくは、モードスイッチは、一対の誘導子のそれぞれの第１の端子を直接結合させるように動作可能である。モードスイッチは、好ましくは、ＡＣまたは双方向スイッチを備える。

好ましくは、サブ回路は、整流器から共振回路を減結合するように動作可能な減結合スイッチを更に備える。

好ましくは、ピックアップは、共通出力と各々結合される複数のサブ回路を備える。

好ましくは、各サブ回路のモードスイッチ及び／または減結合スイッチは、独立して動作可能である。

好ましくは、ピックアップは、該もしくは各モードスイッチ及び／または減結合スイッチと関連付けられ、かつピックアップの出力電流に少なくとも部分的に基づいて、前記スイッチを制御するように動作可能なコントローラを更に備える。

第３の態様において、本発明は、誘導電力伝送（ＩＰＴ）システムに存すると広く言われ得、
一次導体に結合される交流電流（ＡＣ）電源を備える一次側と、
本発明の第１または第２の態様に従う少なくとも１つのＩＰＴピックアップ回路を備え、一次側との無線電力伝送のために適合される、二次側と、を備える。

第４の態様において、本発明は、誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップ回路の出力電流を制御するための方法に存すると広く言われ得、
ＩＰＴ回路の出力電流を感知するステップと、
感知された出力電流に少なくとも部分的に依存して、第１のモードと第２のモードとの間で回路を再構成するようにモードスイッチを選択的に動作させるステップであって、ＩＰＴ回路の出力電流が、第２のモードに対して第１のモードにおいて実質的に倍加される、ステップと、を含む。

好ましくは、ＩＰＴ回路は、共振回路、全波整流器、モードスイッチ、及び一対の誘導子を備える。

好ましくは、モードスイッチを動作させるステップは、回路トポロジを再構成し、第１のモードにおいて、一対の誘導子の各々は、共振回路においてＡＣ電流のそれぞれの正及び負の期間中にエネルギーを相補的にかつ交互に貯蔵及び放出するように配設され、第２のモードにおいて、一対の誘導子の両方は、正及び負の期間の両方中に整流されたＡＣ電流を平滑化するためのチョークとして作用するように配設される。

好ましくは、ＩＰＴ回路は、共通出力と結合されるか、結合可能な複数のサブ回路を備え、各サブ回路は、共振回路、減結合スイッチ、全波整流器、モードスイッチ、及び一対の誘導子を備える。

好ましくは、該方法は、感知された出力電流に少なくとも部分的に依存して、出力からそれぞれの共振回路を選択的に減結合させるように、複数の減結合スイッチを選択的に及び独立して動作させるステップを更に備える。
全てのその新規の態様において考慮されるべき本発明の更なる態様は、以下の説明から明らかとなるであろう。

ここで、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して、例として説明する。

先行技術の並列同調されたピックアップ回路の概略図である。 本発明の第１の実施形態に従う、並列同調されたＩＰＴピックアップ回路の概略図である。 本発明の第２の実施形態に従う、並列同調されたＩＰＴピックアップ回路の概略図である。 本発明の第３の実施形態に従う、並列同調されたＩＰＴピックアップ回路の概略図である。 本発明の第４の実施形態に従う、並列同調されたＩＰＴピックアップ回路の概略図である。 本発明の第５の実施形態に従う、ピックアップ回路の概略図である。 本発明の第６の実施形態に従う、ピックアップ回路の概略図である。 本発明の第６の実施形態のサブ回路電流におけるモードスイッチの効果のグラフ例解図である。 本発明の第６の実施形態の８つの潜在的な動作モードのグラフ例解図である。 本発明に従う、ピックアップ回路のブロック図である。

説明を通じて、同様の参照番号は、便宜上、同じ及び／または異なる実施形態において同様の特性を指すために使用される。しかしながら、同じ参照番号の使用は、実施形態（１つまたは複数）のそれぞれの構成要素が必ず同一でなければならないという要件として捉えられないものとする。

最初に図２を参照すると、本発明に従う、並列同調されたＩＰＴピックアップ回路の第１の実施形態が示されている。図１の先行技術の回路と同様に、本発明のこの実施形態は、ピックアップコイルＬ_１及び並列同調コンデンサＣ_１の共振回路を備える。共振回路は、ダイオードＤ_１〜Ｄ_４で構成されるダイオードブリッジ整流器の形態の全波整流器に結合される。ダイオードＤ_１及びＤ_４は、それらのカソード端子が、通常、既知のブリッジ構成において、互い（及び出力）に結合されるため、本明細書において、「共通カソード」ダイオードと称される。ダイオードＤ_２及びＤ_３は、同様に、共通アノードダイオードと称され得る。

ダイオードＤ_１〜Ｄ_４は、必ずしも全て同一である必要はない。特に、ダイオードＤ_１及びＤ_４は連続的に導電するが、ダイオードＤ_２及びＤ_３は事実上、５０％のデューティサイクルを有するため、これらの対のダイオードは、それぞれの導電及びスイッチング損失を最小化するように選択され得る。この実施形態及び他の実施形態は、４つのダイオードを使用する全波整流を示すが、当業者は、２つのダイオードが使用されてもよいことを理解するであろう。他の実施形態において、ダイオードＤ_２及びＤ_３、またはダイオードＤ_１〜Ｄ_４の全ては、能動整流を提供するように、コントローラによって選択的に動作されるスイッチによって、置き換えられてもよい。

本発明は、ＤＣ誘導子Ｌ_ＤＣが、一対の誘導子、Ｌ_２及びＬ_３によって置き換えられるという点において、図１の回路とは異なる。共通カソードダイオードの両方のカソードに結合されるＤＣ誘導子Ｌ_ＤＣの端子を有するよりもむしろ、この実施形態の誘導子Ｌ_２及びＬ_３の各々の１つの端子は、それぞれの共通カソードブリッジ整流器ダイオードＤ_１及びＤ_４のカソードに結合され、他方の端子は、ピックアップ回路の出力（負荷Ｖ_負荷によって表される）にともに結合される。

使用中、ピックアップコイルＬ_１は、誘導子Ｌ_Ｔによって表される一次導体と誘導結合される（ＩＰＴシステムの一次側の残りの部分が明確にするために省略されている）。一次導体Ｌ_Ｔが交流電流によって励起されるとき、変動磁場が生成される。その磁場の一部は、ピックアップコイルＬ_１を通過し、共振回路において交流電流を生成する電圧をその中に誘導する。最適な効率性のために、ピックアップコイルＬ_１及び同調コンデンサＣ_１は、好ましくは、導体Ｌ_Ｔを通じて交流電流の周波数で共振するように選択される（または逆も同様）。

ＤＣ負荷に電力を供給するために、共振回路内の交流電流は、全波整流器によって整流される。

本発明に従い、電流は、好ましくは、共振回路において、交流電流の正及び負の期間の両方中に、誘導子Ｌ_２及びＬ_３を通って連続的に流れる。つまり、通常の動作下では、ダイオードＤ_１及びＤ_４は、常に、順方向バイアスされ、各々が、出力電流Ｉ_負荷の半分に等しい平均電流を有する。ダイオードＤ_２及びＤ_３は、各々、共振回路において、交流電流のそれぞれの負または正の期間中にのみ導電する（即ち、それらは、各々、相補的な５０％のデューティサイクルを有する）。

したがって、誘導子Ｌ_２及びＬ_３の両方は、負荷Ｖ_負荷に連続的に電力を送達する。正の期間中、本発明の誘導子Ｌ_２を通って流れる電流はまた、誘導子に、磁場におけるエネルギーを貯蔵させ、これは、負の期間中に負荷に放出される。誘導子Ｌ_３は、同様に、負の期間中にエネルギーを貯蔵し、これは、正の期間中に負荷に放出される。このため、誘導子へのエネルギー入力は、パルス化されるが、エネルギー出力は、通常、実質的に連続的である。このため、負荷に供給される電流Ｉ_負荷は、誘導子を通る電流Ｉ_Ｌ１及びＩ_Ｌ２の合計である。理想的な回路において、本発明は、それにより、ピックアップ回路の出力に供給される電流を倍加させる。しかしながら、実際、電流は、例えば、損失または非理想的な構成要素選択により、ピックアップコイルの短絡回路電流に対して正確には倍加されない場合がある。このため、「電流ダブラ」などという用語は、出力／負荷に供給される電流を増加させるようにエネルギーを交互に貯蔵及び放出する、誘導子Ｌ_２及びＬ_３を指す広い意味で使用される。電流は、好ましくは、実質的にまたはほぼ倍加されるが、実際は、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、より少ない程度に増加されてもよい。

本発明の第２の実施形態が図３に例解されている。一次導体Ｌ_Ｔは、ピックアップ回路の一部を形成せず、代わりに、本発明がその一部となり得る完全なＩＰＴシステムの一次側の一部を形成するため、この図からは省略されている。

図３のピックアップ回路は、それが、ダイオードＤ_１及びＤ_４のカソード、及び誘導子Ｌ_２及びＬ_３の対応する端子を直接結合させるように動作可能なモードスイッチＳ_１を更に備えるという点において、図２の修正である。

モードスイッチＳ_１が開放または非導電性であるとき、図３の回路は、図２のものと同一に動作し、本明細書において電流倍加または第１の動作モードと称されることが理解されよう。しかしながら、モードスイッチＳ_１が閉鎖または導電性であるとき、回路トポロジは、標準または第２の動作モードに対して再構成され、誘導子Ｌ_２及びＬ_３は、並列に配設され、それにより、個々にＬ_２またはＬ_３のいずれかのもの未満の実効インダクタンスを伴いつつも、出力電流Ｉ_負荷を単に平滑化する単一のＤＣ誘導子またはチョークを効果的に形成する。並列誘導子を有するだけでなく、この標準モードにおける回路は、図１のものと同様に動作する。

モードスイッチＳ_１は、機械的にまたは手動で動作されるスイッチであってもよいが、より好ましくは、例えば、一対の連続直列ＭＯＳＦＥＴトランジスタを備える、電子的に制御される双方向スイッチである。モードスイッチは、ピックアップ回路が正常モードで動作するように最初は閉鎖されていてもよく、かつ、増加された電流が負荷によって必要されるときに、電流倍加モードで動作するように自動的に開放されてもよく、したがって、電気的「ギアチェンジ」として考えられ得る。

モードスイッチＳ_１は、ピックアップ回路が、一次側制御システムにおいて、所与のトラック電流変化範囲に対して全電力を送達することができるものを超えて、出力電圧範囲を効果的に倍加させる。

本発明のこの実施形態の変形例において、モードスイッチは、電流倍加から標準動作モードに変換させるように、何らかの他の方法で、ピックアップ回路トポロジを再構成するための複数のスイッチを備えてもよい。例えば、一対の誘導子Ｌ_２またはＬ_３の単一の誘導子は、標準モードにおいて、整流器を出力に結合させるように構成され得る一方、一対の誘導子の他方は、回路から完全に切り替えられる。別の可能な実施例において、一対の誘導子Ｌ_２及びＬ_３の両方は、回路から切り替えられ得、更なるＤＣ誘導子は、回路に切り替えられる。

本発明のなお別の実施形態において、共振回路は、図４に示されるように、ピックアップコイルＬ_１と直列に提供される追加の同調コンデンサＣ_２と部分的に直列同調されてもよい。この実施形態のピックアップ回路は、より大きい範囲の出力要件、即ち、異なるバッテリ要件に対応することができ、かつ各範囲に対して最適化させることができる。

なお他の実施形態において、ピックアップ回路は、ピックアップ回路の出力電力の二次側制御を提供し、かつ再度より大きい範囲の出力要件に対応するように、電力制御回路を更に備えてもよい。電力制御回路は、図５に例として示されるように、電力制御スイッチＳ_２を備えてもよい。この実施形態における電力制御スイッチＳ_２は、出力と並列に提供され、共振回路から負荷Ｖ_負荷を選択的に減結合させるように動作可能である。電力制御スイッチＳ_２は、好ましくは、ピックアップ回路の出力を規制するように、閉ループフィードバック制御回路（明確にするために図からは省略されている）によって自動的に動作される。フィードバック制御回路は、例えば、所望の出力電圧を維持するように、パルス幅変調（ＰＷＭ）によって、スイッチを動作させてもよい。ダイオードＤ_５は、電力制御スイッチＳ_２を通じた負荷放電を阻止するように、示されるように追加されてもよい。

電力制御回路によって提供される二次側制御は、一次導体Ｌ_Ｔを通じたトラック電流のいかなる変動も伴わずに、ピックアップ回路の出力が制御されることを可能にする。このように、複数のピックアップ回路を、単一の一次電源と誘導結合させることができる。他のＩＰＴシステムにおいて、二次側制御は、ピックアップ出力の一次側制御を補足してもよい。

本発明に従うＩＰＴピックアップ回路の別の実施形態が、図６に示されている。この実施形態において、ダイオードＤ_１及びＤ_４は、省略されている。これらのダイオードを省略することは、ピックアップ回路における導電損失を低減する。

誘導電力伝送システムは、しばしば、抵抗負荷に給電するよりもむしろ、装置バッテリまたは他の電圧源の無線もしくは非接触充電のために使用され、バッテリは、装置が充電パッドから取り外されるとき、負荷に電力を供給し、装置が充電パッドに戻されるとき、集積ピックアップ回路によって無線で再充電される。かかる装置の例としては、例えば、電気歯ブラシ、モバイル電話、無人搬送車（ＡＧＶ）、または電動乗用車両が挙げられ得る。かかる場合において、負荷Ｖ_負荷は、バッテリまたは他の電圧源を備えてもよい。

図２〜５に示される本発明の先の実施形態において、ダイオードＤ_１及びＤ_４は、ピックアップ回路によって、電圧源Ｖ_負荷の短絡を阻止する。それらのダイオードが省略されているため、本実施形態は、代わりに、負荷の短絡を阻止するように、一度充電されると、負荷から共振回路を減結合させるように選択的に動作させる、ＡＣ減結合スイッチＳ_３を備える。ＡＣスイッチＳ_３は、好ましくは、コントローラ（明確にするために図からは省略されている）によって能動的に動作される。

ＡＣスイッチＳ_３は、共振回路と並列に提供される。それは、図において単一のスイッチ記号によって表されるが、実際は、一対の連続直列ＭＯＳＦＥＴスイッチを備えてもよく、それにより、ＡＣスイッチは、いずれの方向においても電流を選択的に遮断または導電するように動作可能である。

図４〜６の例示的な実施形態は、先行実施形態の選択された特性を各々備える一方、これらの実施形態のモードスイッチ、部分的直列同調、二次側電力制御、及びＡＣ減結合スイッチ特性は、互いから独立して各々提供されてもよい。本発明のなお他の実施形態は、それらの４つの特性の任意の組み合わせまたは選択を備えてもよい。

本発明の先行の例示的な実施形態の各々は、単一のピックアップコイルＬ_１とともに示される。本発明の他の実施形態において、ピックアップ回路は、複数のピックアップコイル及び関連付けられたサブ回路を備えてもよい。一対の実質的に直交するコイルは、一般的に、例えば、国際特許公開第ＷＯ ２００７／１２６３２１号によって開示されるように、ピックアップが移動可能である用途において、一次導体に対するピックアップの制限された不整合を可能にするように提供されてもよい。

図７は、共通出力負荷Ｖ_負荷と結合される、上で説明されるピックアップ回路と同様の一対の同一のピックアップサブ回路の一部を各々形成する、一対のピックアップコイルＬ_１を備える、本発明に従うピックアップ回路を示す。他の実施形態において、ピックアップ回路は、必ずしも同一である必要はない。

この実施例における２つのピックアップサブ回路は、先で説明されるように、並列同調コンデンサＣ_１、ＡＣ減結合スイッチＳ_３、ダイオードＤ_１〜Ｄ_４を備えるブリッジ整流器、モードスイッチＳ_１、ならびに誘導子対Ｌ_２及びＬ_３を各々備える。

上で説明されるように、モードスイッチＳ_１は、出力電流要件を満たすように、回路トポロジの動的な再構成を有利に可能にする。任意の所与の整合（または結合係数ｋ）に対して、出力電流は、モードスイッチを開放することによってほぼ倍加させる（またはそれが既に開放されている場合、モードスイッチを閉鎖することによって半減させる）ことができる。

モードスイッチによって提供される動作の柔軟性は、複数のピックアップコイル及びサブ回路を備える本発明の実施形態において特に有利である。かかる実施形態において、総出力電流Ｉ_負荷は、各サブ回路Ｉ_サブからの出力電流の合計である。図８を参照すると、図７の回路の２つのモードスイッチＳ_１は、任意の所与の整合に対して、サブ回路出力電流Ｉ_サブをほぼ倍加するように、各々選択的にかつ独立して開放することができる。図から明らかなように、この実施例におけるピックアップコイルは、第ＷＯ ２００７／１２６３２１号によって開示されるように、制限された不整合を可能にするように実質的に直交して配設され、それにより、ピックアップコイルのうちの少なくとも１つは、一次導体において交流電流によって生成される磁場を妨害する。

本発明の複数のモードスイッチＳ_１は、好ましくは、必要とされる総出力電流を維持するように、互いから独立して動作される。つまり、例えば、第１のサブ回路は、電流ダブラがアクティブな状態で（モードスイッチ開放）動作し得る一方、第２のサブ回路は、電流ダブラが非アクティブな状態で（モードスイッチ閉鎖）同時に動作する。

代替的に、または更に、各サブ回路のＡＣ減結合スイッチＳ_３は、出力から関連付けられたピックアップコイルＬ_１を選択的に減結合させるように独立して動作され得、それにより、任意の数の複数のサブ回路が、任意の所与の時間に動作可能であり、出力電流Ｉ_負荷に対する更なる制御を提供する。
２つのピックアップコイルＬ_１ならびにモードスイッチＳ_１及びＡＣスイッチＳ_３の両方が独立して制御された状態では、図９に示されるように可能な８つの異なる回路構成が存在する。これらは、図８に示される個々のピックアップコイルの４つの異なる構成＋これらの種々の組み合わせを含む。したがって、スイッチは、所望のまたは既定の最小出力電流を試行及び維持するように制御されてもよい。

なお他の実施形態において、本発明のピックアップ回路は、３つ以上のピックアップコイルＬ_１を備えてもよい。これは、複数の減結合及びモードスイッチの選択的動作を通じて、更により大きい数の異なる動作モードを潜在的に可能にする。

図１０は、本発明に従うピックアップ回路のブロック図を提供し、共振回路１０１（ピックアップコイルＬ_１及び同調コンデンサＣ_１を備える）と、整流器１０３（図２〜７の例示的な実施形態において、少なくともダイオードＤ_２及びＤ_３を備える）と、電流ダブラ１０５（誘導子Ｌ_２及びＬ_３を備える）と、負荷１０７（または少なくとも負荷に結合するための接続端子）と；任意の減結合スイッチ１０２（ＡＣスイッチＳ_３を備える）と、モードセレクタ１０４（モードスイッチＳ_１を備える）と、電力制御１０６（電力制御スイッチＳ_２を備える）と、コントローラ１０８を備える。

コントローラ１０８は、減結合スイッチ１０２、モードセレクタ１０４、及び／または電力制御１０６と結合され、上で説明されるように、モジュールを動作させるように制御信号１０９を伝達する。特に、コントローラ１０８は、好ましくは、適切な動作モードを選択し、減結合スイッチ１０２及びモードセレクタを適宜制御する。したがって、コントローラ１０８は、最も適切なモードの選択を支援するように、１つ以上の入力またはフィードバック信号１１０を受信し得る。フィードバック信号１１０は、例えば、サブ回路出力電流Ｉ_サブまたは総出力電流Ｉ_負荷を表す信号を含んでもよい。

適切なコントローラ１０８の設計及び実装は、本発明の前述の説明を読めば、電子工学の当業者の能力内である。

コントローラ１０８が実装され得る多数の方法が存在する。コントローラは、例えば、演算増幅器及び論理デバイスを含む、個別電子構成要素及び／またはアナログもしくはデジタル集積回路を含み得る、１つ以上の構成要素からなる、純粋にハードウェアベースのコントローラとして実装され得る。代替的に、または更に、制御手段は、プログラム可能論理デバイス（ＰＬＤ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、または、より好ましくは、本明細書において説明される本発明のシステムを実装し、本明細書において説明される本発明の方法を実施するようにプログラムされた、埋め込みソフトウェアを実行する、マイクロコントローラを備え得る、プロセッサ等の埋め込まれた再構成可能なもしくはプログラム可能なハードウェア構成要素を使用する、ソフトウェアベースのシステムとして、少なくとも部分的に実装されてもよい。しかしながら、より一般的には、本発明は、先述の構成要素の組み合わせを使用する埋め込みシステムとして実装されるであろう。

例示的な実施形態において、コントローラ１０８は、出力電流センサに結合され、かつモード、減結合、及び／または電力制御スイッチを制御することによって、既定の最小出力電流を維持するように、閉ループフィードバック比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御アルゴリズムを実行するようにプログラムされる、マイクロコントローラを備える。

一度それらが本発明の方法を実装するプログラムソフトウェアからの命令に従って特定の機能を実施するようにプログラムされると、かかるＰＬＤ及び／またはプロセッサは、事実上、特に本発明の方法に対する特殊目的コンピュータになる。このために必要な技術は、コンピュータシステムの当業者には公知である。

便宜性及び明確性の目的のために、減結合スイッチ１０２、モードセレクタ１０４、及び電力制御１０６の各々を制御する単一のコントローラ１０８が、図１０の図に示されている。しかしながら、ピックアップ回路のこれらの構成要素の各々は、本発明の範囲から逸脱することなく、別個の及び／または独立したコントローラによって代替的に制御されてもよい。

前述から、ＩＰＴピックアップ回路が提供され、これは、種々の実施形態において、低電圧、高電流負荷に供給するために特に適している；所与のトラック電流変動範囲に対してより広い電圧範囲にわたって電力を送達するように構成することができる；ならびに／またははるかにより大きい範囲の出力要件に対応することができ、かつ各範囲に対して最適化することができるということが分かるであろう。他の既知の解決策と比較して、本発明は、所与のピックアップ設計に対して、一定の電力レベルでより大きい出力電圧を提供し得、かつ全体的な設計を最適化するように、追加の変数を提供する。本発明はまた、整流器において低減されたダイオード損失を有し得る。

別途文脈が明確に要求しない限り、説明全体を通じて、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」などの語は、排他的または網羅的な意味とは対照的に包括的な意味、つまり、「〜を含むが、これに限定されない」という意味で解釈されるものとする。

本発明を例として、かつその可能な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、それに修正または改善が行われ得ることが理解されるものとする。本発明はまた、本出願の明細書において言及されるまたは示される部品、要素、及び特性において、前記部品、要素、または特性のうちの２つ以上のいずれかまたは全ての組み合わせで、個々にまたは集合的に存すると広く言われ得る。更に、既知の同等物を有する本発明の具体的な構成要素または整数に言及された場合、かかる同等物は、個々に記載されているかのように本明細書に組み込まれる。

本明細書全体を通じた先行技術のいかなる考察も、いかようにも、かかる先行技術が広く既知であるか、または当該分野における共通の一般知識一部を形成するということを認めるものとして考慮されるべきではない。

Claims (21)

1. 誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップ回路であって、
   誘導ピックアップコイル及び並列同調コンデンサを備える、共振回路と、
   共振回路に結合され、かつそこから受信されるＡＣ電流を整流するように適合される、全波整流器と、
   一対の誘導子であって、各誘導子が、前記整流器を前記ピックアップ回路の出力に結合させ、かつ交互にエネルギーを貯蔵し、前記出力に放出するように配設される、一対の誘導子と、を備える、前記誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップ回路。
2. 前記誘導子が配設され、それにより、前記一対の誘導子のうちの第１の誘導子が、前記ＡＣ電流の正の期間中にエネルギーを貯蔵し、負の期間中に前記出力にエネルギーを放出し、前記一対の誘導子のうちの第２の誘導子が、前記ＡＣ電流の前記負の期間中にエネルギーを貯蔵し、前記正の期間中に前記出力にエネルギーを放出する、請求項１に記載のＩＰＴピックアップ回路。
3. 前記誘導子へのエネルギー入力は、パルス化されるが、前記誘導子のエネルギー出力は、通常、実質的に連続的である、請求項１または請求項２に記載のＩＰＴピックアップ回路。
4. 前記全波整流器が、ダイオードブリッジ整流器を備え、前記誘導子が、前記ダイオードブリッジ整流器及び前記ピックアップ回路の前記出力のそれぞれの共通カソードダイオード間で、直列に各々結合される、先行請求項のいずれか１項に記載のＩＰＴピックアップ回路。
5. 前記全波整流器が、一対のダイオードを備え得、前記一対のダイオードのそれぞれのアノードが、前記出力と結合され、前記一対のダイオードの各々のそれぞれのカソードが、前記共振回路、及び前記一対の誘導子のそれぞれの誘導子の両方と結合される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＩＰＴピックアップ回路。
6. 前記ピックアップ回路が、第１のモードから第２のモードに前記回路を再構成するように選択的に動作可能なモードスイッチを更に備え、前記誘導子が、前記整流器と前記ピックアップ回路の前記出力との間で並列に結合される、先行請求項のいずれか１項に記載のＩＰＴピックアップ回路。
7. 前記第１のモードにおける前記ピックアップ回路の前記出力電流が、前記第２のモードよりも大きい、請求項６に記載のＩＰＴピックアップ回路。
8. 前記第２のモードにおいて、前記一対の誘導子が両方とも、前記ＡＣ電流の正及び負の期間の両方中に、前記整流されたＡＣ電流を平滑化するためのチョークとして作用する、請求項６または請求項７に記載のＩＰＴピックアップ回路。
9. 前記共振回路が、前記ピックアップコイルと直列に追加のコンデンサを更に備え、前記共振回路が、部分的に直列同調される、先行請求項のいずれか１項に記載のＩＰＴピックアップ回路。
10. 前記ピックアップ回路が、前記整流器及び／または共振回路から前記出力を減結合するように動作可能な電力制御スイッチを更に備える、先行請求項のいずれか１項に記載のＩＰＴピックアップ回路。
11. 前記ピックアップ回路が、前記共振回路から前記整流器を選択的に減結合するための前記共振回路と並列の減結合スイッチを更に備える、先行請求項のいずれか１項に記載のＩＰＴピックアップ回路。
12. 共通出力と各々結合される複数のサブ回路を備える、誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップ回路であって、各サブ回路が、先行請求項のいずれか１項に記載のＩＰＴピックアップ回路を備える、前記誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップ回路。
13. 少なくとも１つのピックアップ回路を備える、誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップであって、前記ピックアップ回路が、
    誘導ピックアップコイル及び同調コンデンサを備える、共振回路と、
    共振回路に結合され、かつそこから受信されるＡＣ電流を整流するように適合される、少なくとも２つのダイオードを備える、整流器と、
    前記整流器と結合される第１の端子、及び前記ピックアップの出力と結合される第２の端子を各々備える、一対の誘導子と、
    前記回路の動作モードを選択するように動作可能なモードスイッチであって、第１のモードにおいて、前記一対の誘導子の各々の前記第１の端子が、前記少なくとも２つのダイオードのそれぞれのダイオードのカソードと結合され、第２のモードにおいて、両方のカソードと結合される、モードスイッチと、を備える、前記誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップ。
14. 前記回路の出力電流が、前記第２のモードに対して、前記第１のモードにおいて実質的に倍加される、請求項１３に記載のＩＰＴピックアップ。
15. 前記回路が、前記整流器から前記共振回路を減結合するように動作可能な減結合スイッチを更に備える、請求項１３または請求項１４に記載のＩＰＴピックアップ。
16. 前記もしくは各モードスイッチ及び／または減結合スイッチと関連付けられ、かつ前記ピックアップの出力電流に少なくとも部分的に基づいて、前記スイッチを制御するように動作可能なコントローラ、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載のＩＰＴピックアップ。
17. 前記ＩＰＴ回路が、サブ回路を備える、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のＩＰＴピックアップ。
18. 前記ピックアップが、共通出力と各々結合される複数のサブ回路を備える、請求項１７に記載のＩＰＴピックアップ。
19. 各サブ回路の前記モードスイッチ及び／または減結合スイッチが、独立して動作可能である、請求項１８に記載のＩＰＴピックアップ。
20. 誘導電力伝送（ＩＰＴ）ピックアップ回路の出力電流を制御するための方法であって、
    前記ＩＰＴ回路の出力電流を感知するステップと、
    前記感知された出力電流に少なくとも部分的に依存して、第１のモードと第２のモードとの間で前記回路を再構成するようにモードスイッチを選択的に動作させるステップであって、前記ＩＰＴ回路の前記出力電流が、前記第２のモードに対して前記第１のモードにおいて実質的に倍加される、ステップと、を含む、前記方法。
21. 実質的に本明細書に説明されるようなＩＰＴピックアップ、ピックアップ回路、またはＩＰＴピックアップ回路を制御する方法。

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